熱塑片材輥壓機加熱輥的流道設計和熱仿真分析

□ 李 楊

江蘇正威新材料有限公司 江蘇如皋 226500

1 研究背景

纖維增強熱塑片材具有密度低、比強度及比模量高、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、易成型等優(yōu)點,在交通運輸、新能源、建筑、航空、航天等領域得到廣泛應用,成為目前復合材料領域研究的重點[1-2]。連續(xù)氈增強熱塑片材具有各向同性、抗移性好、浸潤性好、機械剛度高等其它片材難以代替的優(yōu)勢,成為當今熱塑材料研發(fā)的熱點。連續(xù)氈增強熱塑片材是由連續(xù)氈與上下淋膜層在加熱、加壓的情況下,經(jīng)熱塑性樹脂與連續(xù)氈充分浸潤并冷卻定型生成的片材[3-4]。連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線因構思獨特、結構新穎、傳熱效率高、投資少等優(yōu)點,在熱塑片材復合領域具有良好的應用前景。

加熱輥是連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線的關鍵部件,其性能直接關系到熱塑片材的生產(chǎn)質量和整條生產(chǎn)線的運行速度。加熱輥的性能參數(shù)主要包括加熱輥的結構強度、加熱能力、輥面溫度均勻度。加熱輥通過將加熱后的熱油循環(huán)輸送至加熱輥流道中對輥面進行加熱,通過鋼帶將熱量傳遞至復合片材。加熱輥的熱計算是加熱輥設計的關鍵步驟,良好的流道布置和充分的熱源供應是輥壓生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的保證。

2 加熱輥流道設計

2.1 鉆孔流道

熱塑片材輥壓機加熱輥通常參照人造板輥壓機加熱輥的結構進行設計,加熱輥采用芯軸+輻板的結構設計,輥筒外徑為3 500 mm,輥筒壁厚為50 mm,輥面寬度為2 400 mm。輥筒采用Q345B鋼卷板,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后去應力退火,加工后校靜平衡。

加熱輥流道采用鉆深孔方式,鉆孔直徑為25 mm,鉆孔深度為2 400 mm。共有72個孔,在輥筒壁上沿圓周方向均布。流道孔的長徑比達到96,屬于特殊深孔,需要專用設備和專業(yè)人員進行加工。

深孔加工的難點有四方面[5-6]。

第一,刀桿受孔徑的限制,直徑小,長度長,導致剛性差,強度低,切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度,影響深孔的直線度和表面粗糙度。

第二,在鉆孔和擴孔時,冷卻潤滑液難以到達切削區(qū),造成刀具耐用度降低,排屑困難。

第三,在深孔的加工過程中,不能直接觀察刀具切削情況,難以判斷切削過程是否正常。

第四,為了保證深孔在加工過程中順利進行,并達到設計要求的加工質量,需要增加刀具內或刀具外排屑裝置、刀具引導和支承裝置、高壓冷卻潤滑裝置,設備結構復雜。

流道的深孔加工是加熱輥加工工序中的難點,專業(yè)性強,若鉆孔廠家不具備其它工序生產(chǎn)和加工能力,則轉場及各銜接工序間的質量控制會嚴重制約加熱輥的生產(chǎn)周期和質量,給加熱輥的生產(chǎn)帶來很多困難。流道采用鉆深孔方式加工的加熱輥,總質量約為25 t,總成本為120萬元,加工周期為3個月。

在實際工作中,連續(xù)氈增強熱塑片材的浸潤壓力一般小于5 MPa,遠小于人造板的成型壓力。熱塑性樹脂的熔融溫度一般在150～250 ℃之間,遠低于人造板的成型溫度。連續(xù)氈增強熱塑片材厚度薄,一般為0.2～1.0 mm,片材成型需要的熱量遠小于人造板的成型熱量。基于以上情況,筆者在充分了解加熱輥結構原理的基礎上,提出采用螺旋流道代替鉆孔流道。

2.2 螺旋流道

加熱輥采用芯軸+輻板的結構,輥筒外徑為3 500 mm,壁厚為20 mm,輥面寬度為1 800 mm。輥筒內壁沿螺旋方向均勻焊接八條流道,流道采用直徑為50 mm的半圓管,半圓管的壁厚為2.5 mm,螺距為1 200 mm。半圓管焊接在輥筒內壁上,焊縫密實、均勻,經(jīng)過超聲波無損探傷。

輥筒芯軸的兩端連接中心回轉接頭,導熱油一端進油、一端回油,或采用兩端進油、兩端出油的方式。單條流道總長度約為16 m,輥面設計溫度為150～250 ℃,表面溫度均勻度不大于5 K。采用螺旋流道后,輥筒質量減小25%～30%,成本降低30%,加工周期大大縮短。在使用過程中,由于輥筒的質量大大減小,驅動電機的功率降低10 kW,加熱輥啟動、加速性能大大提高,避免輥面與鋼帶的磨損,延長鋼帶的使用壽命,減少加熱輥面的修磨次數(shù),產(chǎn)生較佳的經(jīng)濟效益。

3 加熱輥熱力學仿真

應用SolidWorks軟件對加熱輥進行建模,為了便于計算和劃分網(wǎng)格,只對輥筒外壁進行建模,并通過SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進行仿真分析,實現(xiàn)建模與仿真的無縫對接[7-8]。對模型進行封蓋處理,設定流道入口導熱油的速度為2.5 m/s,入口壓力為0.2 MPa,導熱油溫度為280 ℃,流道出口壓力為0.1 MPa,出口溫度為20 ℃。導熱油的牌號為HD-330,其密度為1 157.47 kg/m3,比熱容為2 240 J/(kg·K),黏度系數(shù)為2.6 MPa·s,導熱系數(shù)為0.113 0 W/(m·K)。輥筒的材質為Q345B鋼,其密度為7 850 kg/m3,比熱容為460 J/(kg·K),導熱系數(shù)為49.8 W/(m·K)。加熱輥的初始溫度為20 ℃。

為保證計算精度,并適當減小計算量,全局網(wǎng)格設置采用五級[9],封閉細孔縫,螺旋流道分布如圖1所示。螺旋流道分為八組,一端進入,另一端流出。加熱輥網(wǎng)格如圖2所示。

采用一端進油、一端出油,加熱輥輥面溫度分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出,輥面溫度分布不均勻,導熱油進口區(qū)域輥面溫度較高,中間部分次之,出口區(qū)域輥面溫度最低,原因是輥面上相鄰流道的起始段間隔約為1 375 mm,間隔較大,熱傳導距離遠,造成輥面兩端溫度分布不均勻。輥面進口一端的溫度明顯高于出口一端,原因是導熱油從一端進入,一端流出,導熱油進口溫度明顯高于出口溫度。這樣的輥面溫度分布無法滿足設計要求。

將加熱輥改為兩端進油、兩端出油方式,進油口與出油口間隔分布,輥面溫度分布云圖如圖4所示。由圖4可知,輥筒中間熱量分布比較均勻,中間部分的溫度高于兩端,原因是中間部分流道集中,熱交換充分,兩端導熱油進出口間隔分布,溫度相對較低。輥筒的中間部分是工作區(qū)域,這樣的溫度分布符合預期,滿足使用要求。

根據(jù)加熱輥的使用和驗收要求,在加熱輥兩側距邊緣各200 mm位置、輥中間位置沿輥面圓周方向各取八個測量點、非均勻分布,這24個測量點中溫度最高值與最低值之差即為輥面溫度均勻度的測量值。加熱輥輥面溫度測量值見表1。由表1可知,輥面溫度最高為247.59 ℃,最低為243.16 ℃,輥面溫度均勻度為4.43 K,滿足設計要求。

表1 輥面溫度測量值

加熱輥在工作過程中,輥面會向周圍輻射散熱,造成周圍局部高溫。為有效減少熱量散失,改善周圍的工作環(huán)境,加熱輥外層需加防護罩。

4 加熱輥溫度影響因素

根據(jù)設計經(jīng)驗[10],導熱油流速、導熱油溫度、導熱油黏度、流道直徑都會對加熱輥輥面溫度產(chǎn)生影響,各參數(shù)對加熱輥輥面溫度的影響曲線如圖5所示。

由圖5可知,隨導熱油黏度的變化,輥面溫度變化很小,導熱油黏度對輥面溫度的影響較小。在其它條件不變的情況下,導熱油的過流面積對輥面溫度影響明顯,兩者之間呈線性關系。導熱油流速、導熱油溫度對輥面溫度的影響較大。在設計過程中,主要通過對流道直徑進行優(yōu)化,來控制輥面溫度。在實際生產(chǎn)中,主要通過模溫機比例積分微分閉環(huán)控制調節(jié)導熱油溫度和流道直徑,來達到控制輥面溫度的目的。

5 結束語

加熱輥是熱塑片材輥壓機的重要部件,其設計質量直接關系到輥壓生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質量。傳統(tǒng)的導熱油流道主要采用鉆深孔加工,結構復雜,加工難度大,成本高。筆者對熱塑片材輥壓機加熱輥使用狀況進行具體分析,提出采用螺旋流道,大大降低加工難度和生產(chǎn)成本,縮短加工周期,具有廣闊的應用前景。

通過對加熱輥三維建模,利用SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進行流體仿真,結果表明采用八組φ50 mm半圓管焊接流道,螺距為1 200 mm,兩端進油,兩端出油,在導熱油流速為2.5 m/s的情況下,加熱輥輥面溫度均勻度為4.43 K,滿足設計要求。在實際應用中,通過對導熱油溫度和流量進行比例積分微分控制,可以實現(xiàn)加熱輥表面溫度的準確控制。